Wetenschappers van de Graduate School of Information Science and Technology aan de Universiteit van Tokyo berekenden de efficiëntie van het sensorische netwerk dat bacteriën gebruiken om naar voedsel te gaan en vonden het optimaal vanuit een informatietheoretisch oogpunt. Dit werk kan leiden tot een beter begrip van het gedrag van bacteriën en hun sensorische netwerken.

Ondanks dat het eencellige organismen zijn, bacteriën zoals E. Coli kunnen indrukwekkende waarnemings- en aanpassingsprestaties leveren in voortdurend veranderende omgevingscondities. Bijvoorbeeld, deze bacteriën kunnen de aanwezigheid van een chemische gradiënt voelen die de richting van het voedsel aangeeft en ernaartoe bewegen. Dit proces wordt chemotaxis genoemd, en is opmerkelijk efficiënt gebleken, zowel vanwege zijn hoge gevoeligheid voor kleine veranderingen in concentratie als vanwege zijn vermogen om zich aan te passen aan achtergrondniveaus. Echter, de vraag of dit het best mogelijke detectiesysteem is dat kan bestaan ​​in lawaaierige omgevingen, of een suboptimaal evolutionair compromis, is niet vastgesteld.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Tokyo hebben aangetoond dat het standaardmodel dat biologen gebruiken om bacteriële chemotaxis te beschrijven is, in feite, wiskundig equivalent aan de optimale dynamiek. In dit kader is receptoren op het oppervlak van de bacterie kunnen worden gemoduleerd door de aanwezigheid van de doelmoleculen, maar dit signaleringsnetwerk kan worden beïnvloed door willekeurige ruis. Zodra de bacteriën bepalen of ze naar of van het voedsel zwemmen, ze kunnen hun zwemgedrag daarop aanpassen.

"E. coli kan ofwel in een rechte lijn bewegen of willekeurig heroriënteren via tuimelen. Door de frequentie van tuimelen te verminderen wanneer het een positieve lokstofconcentratiegradiënt waarneemt, de bacterie kan bij voorkeur naar het voedsel toe bewegen, " zegt eerste auteur Kento Nakamura.

Met behulp van niet-lineaire filtertheorie, dat is een tak van informatietheorie die zich bezighoudt met het bijwerken van informatie op basis van een stroom realtime informatie, de wetenschappers toonden aan dat het systeem dat bacteriën gebruiken inderdaad optimaal is.

"We vinden dat het best mogelijke ruisfiltersysteem samenvalt met het biochemische model van het E. coli-sensorische systeem, " legt senior auteur Tetsuya J. Kobayashi uit.

De bevindingen van dit onderzoek kunnen ook worden toegepast op sensorische systemen in andere organismen, zoals G-eiwit-gekoppelde receptoren die worden gebruikt voor het gezichtsvermogen. Omdat alle levende systemen hun omgeving moeten kunnen voelen en erop kunnen reageren, dit project kan helpen bij het evalueren van de efficiëntie van informatiefiltering in het algemeen.